xxxix consolda congresso nacional de soldagem 25 a 28 de
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XXXIX CONSOLDA – Congresso Nacional de Soldagem
25 a 28 de Novembro de 2013
Curitiba, PR, Brasil
Soldagem MIG Pulsado CA de Ligas de Alumínio – Metodologia para Definição de Parâmetros
(AC Pulsed MIG Welding Aluminum Alloys - Setting Parameters Methodology)
Cleber Marques1, Bruna Martinello Savi
2, Orestes Estevam Alarcon
3, Jair Carlos Dutra
4
1,2,3,4Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia Mecânica, Laboratório de
Soldagem, Florianópolis, Santa Catarina, Brasil [email protected],
Resumo
O processo MIG Pulsado CA pode ser uma boa opção em aplicações que requerem baixo aporte térmico e alta
produtividade. A introdução de um período em polaridade negativa colabora na obtenção dessas
características, devido ao aumento na taxa de fusão de arame para essa polaridade. A principal dificuldade
relacionada ao uso dessa versão do processo MIG é a dificuldade na seleção dos corretos parâmetros de
soldagem. O presente trabalho trata deste assunto, onde se propõe uma metodologia de cálculo testificada na
soldagem com a liga de alumínio ER5087. Por meio do conhecimento das constantes de fusão em ambas as
polaridades, e de alguns parâmetros de entrada (corrente de pulso, tempo de pulso, diâmetro de gota, bitola do
arame e percentual do eletrodo em polaridade negativa) foi possível obter as demais variáveis do processo
(tempo base, corrente de base, tempo negativo, corrente negativo). O método foi avaliado para duas formas de
onda de corrente e para percentual de eletrodo negativo em 30% e 50%. Os resultados foram satisfatórios, com
bom aspecto do cordão, boa estabilidade do arco, e uma melhor possibilidade de controle do calor fornecido a
peça.
Palavras-chave: Soldagem de alumínio; MIG Pulsado CA; programa sinérgico; ER5087.
Abstract: AC Pulsed MIG can be a good option for applications that require low heat input and high
productivity. The introduction of a period of negative polarity assists in obtaining such characteristic, due to an
increase in the wire melting rate for this polarity. The main difficulty related to the use of this MIG process
version is the difficulty in selecting the correct welding parameters. This paper deals with this issue, where is
proposed a calculation testified methodology in welding aluminum alloy ER5087. Through knowledge of wire
melting rate in both polarities, and some input parameters (pulse current, pulse current time, droplet size, and
electrode negative ratio) have been achieved others variables process (base current, base current time, negative
current, negative current time). The method was evaluated for two current waveforms and electrode negative
ratio 30% and 50%. The results were satisfactory, having good looking weld bead and arc stability, and a better
possibility to control the heat input in workpiece.
Key-Words: Aluminum Welding; AC Pulsed MIG; Synergistic program; ER5087.
1. Introdução
A constante necessidade por maiores níveis de produção e qualidade do produto faz com que apareçam no
mercado diferentes versões dos processos de soldagem tradicionais, que tem por objetivo atender tais requisitos.
Estas versões estão basicamente relacionadas com o modo de transferência metálica e com o desenvolvimento de
formas de ondas que melhoram o desempenho e o controle do processo. Algumas vezes, estas características são
obtidas com o lançamento de tecnologias complexas e de alto valor agregado. Entretanto, uma simples variação
de um processo tradicional pode fornecer resultados até então inatingíveis. Obviamente que essa capacidade de
atuação sobre os parâmetros de soldagem se deve, sobretudo, a evolução da eletrônica de controle e potência, aos
sistemas de controle e à informática que, aplicadas neste setor, possibilitaram a fabricação das modernas fontes
de soldagem.
As dificuldades e desafios encontrados em soldagem, especialmente nas aplicações com ligas e materiais não
convencionais, aparecem com muita frequência. Na soldagem de ligas de alumínio são comuns os problemas
relacionados às suas propriedades físicas, principalmente no que diz respeito a sua condutividade térmica. No
caso de chapas finas, essa característica do alumínio pode oferecer risco de perfuração e de distorção térmica.
Por esse motivo, o controle da penetração e do aporte térmico são um diferencial nestas aplicações. Dentro deste
contexto, alguns trabalhos [1-6] fazem referência à utilização do processo MIG Pulsado CA como uma solução
promissora para tais inconvenientes. O método resulta, além do controle da penetração das soldas e do calor
fornecido a peça, num aumento de produtividade já que há o aumento na taxa de fusão pelo uso de corrente
alternada (polaridade negativa e positiva).
Considerando o potencial de aplicação do MIG Pulsado CA, sua escassez de informações sobre variáveis e
técnicas, e a dificuldade de selecionar parâmetros adequados devido ao grande número de variáveis envolvidas
neste modo de operação, esse trabalho tem por objetivo propor uma metodologia de definição de parâmetros que
resulte em um processo estável, com exemplo de aplicação na soldagem de ligas de alumínio, especificamente
com o arame ER5087.
1.1 Fundamentos Teóricos do MIG Pulsado CA
A versão MIG Pulsado CA utiliza-se das premissas fundamentais empregadas pela versão MIG Pulsado CC
(usualmente conhecido por MIG Pulsado), ou seja, o destacamento de uma única gota por período e a igualdade
entre velocidade de alimentação e a velocidade de fusão de arame [7]. O principal diferencial do CA em relação
ao CC é a introdução de um intervalo de corrente na polaridade negativa. A ideia é que, com isso, sejam
combinadas as vantagens da utilização de cada uma das polaridades.
Tradicionalmente, o MIG é realizado com corrente contínua e arame/eletrodo conectado na polaridade
positiva da fonte (CC+). Essa configuração geralmente se caracteriza por produzir um cordão de solda com alta
penetração, bom acabamento superficial, boa estabilidade do arco e por possibilitar o controle da transferência
metálica. Nessa polaridade, o arco fica ancorado na extremidade da gota, oferecendo condições para que as
forças eletromagnéticas associadas ao efeito pinch realizem o seu destacamento.
Muitos autores [1,6] afirmam que o uso da polaridade negativa possibilita uma maior taxa de fusão do arame
e ao mesmo tempo uma menor energia térmica aportada à peça. Segundo Lancaster [8], a maior taxa de fusão na
polaridade negativa está relacionada ao fenômeno de escalada da mancha catódica para parte sólida do eletrodo,
fazendo com que haja uma maior exposição do arame ao arco voltaico. Entretanto, produzir um cordão de solda
utilizando somente a polaridade negativa pode ser algo extremamente difícil e em alguns casos impossível, como
na soldagem de alumínio. De modo geral, nessa polaridade, o processo não apresenta estabilidade suficiente para
produzir um cordão de solda sem respingos e falhas de fusão. Lancaster [8] e Talkinton [1] atribuem a ocorrência
de instabilidade e respingos a uma força repulsiva que atua sobre a extremidade fundida do eletrodo. Apesar dos
problemas relacionados à polaridade negativa, o uso da corrente alternada pode ser uma solução adequada para a
soldagem de chapas finas, onde se tem a necessidade de controle do aporte térmico, e também uma maior
capacidade para realização do preenchimento de juntas variáveis (gap) por meio da pulsação da corrente e
período em cada polaridade.
A evolução do processo MIG Pulsado CA foi totalmente favorecida pelo avanço das fontes de soldagem
eletrônicas. Para essa versão do processo, a quantidade de parâmetros que devem ser definidos e as variações da
forma de onda da corrente, tornam a operacionalização dificultosa. Existem várias possibilidades de construção
dessa forma de onda e a conclusão sobre qual configuração fornece um melhor resultado é divergente entre os
diferentes autores [3-5]. Bohme [5] sugere três tipos básicos, vide Figura 1 (I, II e III). Ainda há a possibilidade
de ensaios com base positiva antes e depois do pulso (Figura 1 – IV). Em seus estudos com alumínio, Bohme [5]
verificou melhores resultados com a forma I e II, e concluiu que a forma III não permitia o efeito de limpeza
catódica do alumínio promovida pela polaridade positiva, não fornecendo bons resultados.
Um aspecto fundamental a ser considerado na soldagem MIG Pulsado CA é a taxa de fusão que ocorre para
cada polaridade. Algumas variáveis do processo podem influenciar esta taxa, mas é sabido que a inversão
contínua de polaridade é a mais atuante. Outro aspecto a ser meditado seria o de transferência metálica. Assim
como no MIG Pulsado CC, seu funcionamento é baseado no destacamento de uma gota por pulso e, mesmo que
haja uma inversão periódica de polaridade, deve-se garantir que o destacamento de uma única gota ocorra na
polaridade positiva, o que condicionará a estabilidade do processo. Esta premissa pode ser justificada pelo fato
de que, em polaridade negativa, o destacamento não ocorre mais pela ação predominante do efeito pinch. Isso se
dá pelo fato de que a escalada do arco favorece a formação de gotas grandes associadas ao efeito repulsivo
característico desta polaridade. Além disso, como citado por Dutra [9], outros aspectos devem ser considerados
como, por exemplo, o momento temporal que a transferência ocorrerá. Alguns autores afirmam a necessidade de
que a gota seja destacada no final de cada pulso, outros que ocorra nos instantes iniciais da base.
Já que uma das vantagens deste processo é de reduzir o aporte térmico, outro fator de relevância, nesta
técnica, é o tempo que cada polaridade irá atuar. Em outras palavras, aumentando-se o tempo do eletrodo em
polaridade negativa, maior será o aquecimento do eletrodo em relação ao metal de base, fornecendo uma redução
de até 25% no aporte térmico em comparação com o MIG Pulsado CC, além do aumento de até 60% da taxa de
fusão [6].
Baseado nas fundamentações citadas e na falta de conhecimento científico sobre a regulagem adequada das
variáveis do processo bem como sua operacionalidade, o presente artigo propõe uma metodologia que permita
um cálculo de parametrização deste procedimento, avaliando-se os diferentes tipos de onda sugeridos, tempo de
eletrodo no negativo e dois conjuntos de parâmetros de pulso de corrente que garantissem o destacamento de
uma gota por pulso, além de contribuir para mostrar as características físicas inerentes ao processo.
Figura 1. Variações da forma de onda para o processo MIG Pulsado CA
2. Metodologia
A metodologia para definir parâmetros do processo MIG Pulsado CA foi desenvolvida com intuito de que se
garantisse boa estabilidade do arco e da transferência metálica, e ainda boa aparência do cordão de solda. Sabe-
se que a taxa de fusão é aumentada em polaridade negativa, o que acarretará em uma mudança no comprimento
do arco. Deste modo, assim como alguns trabalhos [2,3], procurou-se prever as constantes de fusão nas duas
polaridades (CC+ e CC-) por meio da Equação de consumo (1). O conhecimento destas variáveis torna-se
necessário para que se possa igualar a velocidade de arame em polaridade positiva e negativa. Como o alumínio
apresenta a característica de baixa resistividade, esta equação pode ser expressa pela primeira parcela, que resulta
numa Equação linear (2).
(1)
(2)
O procedimento para obter os valores das constantes α consistiu no depósito de cordões sobre chapas
utilizando somente polaridade positiva para α+ e polaridade negativa para α-. Os depósitos para avaliação do
processo foram realizados sobre chapas de alumínio 1100 de espessura de 3 mm e o arame eletrodo empregado
foi alumínio ER 5087 de 1,2 mm de diâmetro. O gás utilizado foi argônio com 13 l/min de vazão e a distância
entre o bico de contato e a peça (DBCP) de 15 mm. A soldagem foi realizada na posição plana com 5°
empurrando e uma velocidade de 6,66 mm/s (40 cm/min). Os sinais de tensão, corrente e velocidade de arame
foram medidos com o Sistema de Aquisição Portátil (SAP-4) com taxa de aquisição de 5 kHz. Foram realizados
três depósitos em cada polaridade e os valores médios calculados para as constantes foram de α+=0,051
m/min.A e α - =0,129 m/min.A. As mesmas condições foram utilizadas nos ensaios para avaliação do processo
MIG Pulsado CA, adicionando ainda a aquisição de imagens com o uso de uma câmera de alta velocidade.
Para definir os parâmetros, tomou-se como partida, o uso da forma de onda retangular do tipo I, II e IV,
conforme já mostradas na Figura 1.
Alguns parâmetros são considerados invariáveis durante a faixa de operação do processo e foram utilizados
como parâmetros de entrada para realizar cálculos das demais variáveis. Dentre eles estão: coeficiente de fusão
negativo (α -), coeficiente de fusão positivo (α +), corrente de pulso (Ip), tempo de pulso (tp), diâmetro de gota
(dg), bitola arame (da), e percentual do eletrodo negativo (%EN).
Os parâmetros de pulso (Ip e tp) foram os mesmos utilizados no MIG Pulsado CC, que garantiram o
destacamento de uma única gota por pulso com seu destacamento logo após o pulso, na corrente de base. O
parâmetros definidos foram de Ip=430 A com tp=0,8 ms e Ip=350 A com tp= 1,2 ms. Cada um dos dois grupos de
variáveis foi avaliado para dois níveis de percentual do eletrodo negativo (30 e 50%) para diâmetro de gota de
1,2 mm.
As demais variáveis a serem definidas foram calculadas por meio de fórmulas utilizando os parâmetros de
entrada. A corrente negativa é calculada pela relação entre a velocidade de arame e o coeficiente de fusão
negativo, por meio da Equação (3), sendo esta velocidade de arame o valor desejado para a realização da
soldagem. O tempo no negativo é calculado pela Equação (4), de acordo com o percentual desejado em eletrodo
negativo. O período de destacamento de gota (T) é calculado em função do diâmetro de gota desejado, do
diâmetro do arame utilizado e da velocidade de arame desejada, conforme a Equação (5).
(3)
(4)
(5)
A corrente de base é definida pela Equação (6). O valor de Im+ necessário para este cálculo é definido pela
Equação (7). O tempo de base é calculado baseado no período e tempo negativo já encontrados, por meio da
Equação (8).
( ) ( )
(6)
(7)
(8)
De posse dessa sequência de cálculos, uma primeira avaliação feita foi no que diz respeito ao tipo da forma
de onda. No trabalho de Dutra [9], foram obtidos bons resultados com o destacamento de gota nos instantes
iniciais de corrente de base e, por esse motivo, os ensaios foram conduzidos baseados nesta filosofia. Sendo
assim, por não possuírem uma corrente de base após o pulso, as formas de onda II e III não poderiam ser
utilizadas. Com a execução de ensaios preliminares, pode-se observar que com a forma de onda II não foi
possível obter um procedimento estável, com presença constante de curto-circuito e indefinição do momento em
que ocorre o destacamento de gota. Os ensaios com forma de onda III foram descartados. Alguns autores [4,5]
afirmam que com essa forma de onda não se obtém uma boa limpeza catódica e a inexistência de um patamar de
corrente e tempo de base não permite uma troca de polaridade suave. Com base nestas considerações, os ensaios
foram restritos a forma de onda I e IV (vide Figura 1).
Pela aplicação da metodologia de cálculo proposta, encontraram-se os parâmetros listados na Tabela 1,
referentes ao tipo de onda I e IV e para uma faixa de velocidade de arame de 3 a 6 m/min com incremento de 1
m/min, sempre para diâmetro de gota igual ao do arame, ou seja, 1,2 mm. Para realizar os ensaios com forma de
onda do tipo IV, apenas dividiu-se o tempo de base por dois. Os ensaios com parâmetros Ip= 350 A e tp= 1,2 ms
com percentual do eletrodo negativo em 50% não foram avaliados devido a corrente de base calculada ser muito
baixa, inviabilizando o processo.
Tabela 1. Parâmetros calculados para ensaios de validação da versão MIG Pulsado CA.
%EN Va (m/min) Ip (A) tp (ms) Ib (A) tb (ms) In (A) tn (ms)
30%
3 350 1,2 24 10,0 23 4,8
4 350 1,2 33 7,2 31 3,6
5 350 1,2 43 5,5 39 2,9
6 350 1,2 54 4,4 47 2,4
30%
3 430 0,8 30 10,4 23 4,8
4 430 0,8 41 7,6 31 3,6
5 430 0,8 53 5,9 39 2,9
6 430 0,8 66 4,8 47 2,4
50%
3 350 1,2 7 6,8 23 8,0
4 350 1,2 11 4,8 31 6,0
5 350 1,2 14 3,6 39 4,8
6 350 1,2 18 2,8 46 4,0
50%
3 430 0,8 18 7,2 23 8,0
4 430 0,8 24 5,2 31 6,0
5 430 0,8 32 4,0 39 4,8
6 430 0,8 40 3,2 47 4,0
3. Resultados e Discussões
Avaliando o conjunto de parâmetros Ip= 350 A com tp= 1,2 ms e EN=30% pode-se observar que foram
obtidos cordões de bom aspecto com as duas formas de onda. Percebe-se que os oscilogramas apresentam uma
boa repetitividade e picos de tensão referente ao destacamento de gota na corrente de base, como demonstrado
na Figura 2. A Figura 3 traz as imagens dos respectivos cordões.
(a) (b)
Figura 2. Oscilogramas do MIG Pulsado CA para Va = 5 m/min e EN=30%;
(a) forma de onda I (b) forma de onda IV
(a)
(b)
Figura 3. Cordão de solda referente aos oscilogramas da Figura 2; (a) forma de onda I (b) forma de onda IV
A Tabela 2 apresenta os resultados da velocidade de arame, potência e corrente eficaz medido em cada
ensaio. Pelos resultados pode-se afirmar que não há uma diferença expressiva nos valores de corrente e potência
entre os formatos de onda empregados, logo tanto a forma de onda I e IV poderiam ser utilizados neste processo.
Tabela 2. Resultados de potência e corrente eficaz para parâmetros Ip=350 A, tp= 1,2 ms e EN=30%.
Forma
de onda
I
Va (m/min) Ief (A) P (W)
Forma
de onda
IV
Va (m/min) Ief (A) P (W)
3 90 1077 3,1 95 1030
3,9 105 1332 4 110 1253
4,9 119 1578 4,9 124 1551
5,9 131 1853 5,9 138 1880
Pelas imagens da Figura 4 da câmera de alta velocidade é possível observar o destacamento da gota no
momento indicado pelos oscilogramas, condizente com a premissa de condição de estabilidade. Em alguns
momentos, durante a transferência metálica, houve ocorrência de gotas secundárias de pequeno diâmetro junto
ao destacamento, que pode ser vista com detalhes na Figura 5. É suposto que esta seja uma a característica da
liga de alumínio magnésio utilizada.
Figura 4. Sequência de destacamento de uma gota por pulso referente ao oscilograma da Figura 2 (a)
Figura 5. Detalhe da formação de gota secundária
Com os resultados referente ao conjunto Ip=430 A e tp= 0,8 ms pode-se constatar, além da influência do
formato de onda, a de um maior tempo em polaridade negativa. A Figura 6 traz o oscilograma para os dois tipos
de ondas analisados em EN=30% e a Figura 7 para EN=50%. Nas duas situações foi possível observar o pico de
tensão referente ao destacamento de gota, após o pulso. Na Figura 8 é possível ver o destacamento de uma única
gota pela câmera de alta velocidade e também o fenômeno de “escalada” do arco característico da polaridade
negativa.
(a) (b)
Figura 6. Oscilograma de corrente e tensão conjunto Ip= 430 A e tp= 0,8 ms, EN=30% e Va= 5 m/min; (a) forma
de onda I (b) forma de onda IV
(a) (b)
Figura 7. Oscilograma de corrente e tensão conjunto Ip= 430 A e tp= 0,8 ms, EN=50% e Va = 5 m/min; (a) forma
de onda I (b) forma de onda IV
Figura 8. Imagens da câmera de alta velocidade Ip=430 A e tp= 0,8 , EN=50% e Va = 5 m/min
Quanto ao aspecto do cordão de solda, não se obteve uma diferença significativa nos resultados utilizando
forma de onda I e IV para um mesmo %EN, vide Figuras 9 e 10. O que se pode observar é um maior
molhamento do cordão nos corpos de prova que utilizou-se 30 % de eletrodo negativo, já que o mesmo
permanece mais tempo em polaridade positiva, aumentando o calor fornecido à chapa. Na Tabela 3 encontram-se
os valores de potência e corrente eficaz para cada ensaio, sendo possível observar que em EN=30% tem-se uma
maior potência gerada.
(a)
(b)
Figura 9. Cordão de solda referente aos oscilogramas da Figura 6, (a) forma de onda I (b) forma de onda IV
1 2 3 4 5
5
(a)
(b)
Figura 10. Cordão de solda referente aos oscilogramas da Figura 7, (a) forma de onda I (b) forma de onda IV
Tabela 3. Resultados de velocidade de arame, potência e corrente eficaz para parâmetros Ip=430 A e tp= 0,8 ms.
EN=30%
Forma
de onda
I
Va (m/min) Ief (A) P (W)
Forma
de onda
IV
Va (m/min) Ief (A) P (W)
3 81 1053 3,1 90 1017
4 100 1263 4 107 1276
4,9 113 1563 4,9 121 1664
5,9 125 1842 5,9 137 1871
EN=50%
Forma
de onda
I
Va (m/min) Ief (A) P (W)
Forma
de onda
IV
Va (m/min) Ief (A) P (W)
3 83 833 3,1 89 809
4 99 1030 4,1 104 1055
4,8 111 1233 4,9 116 1360
5,6 121 1446 5,8 130 1569
Foi possível observar também que nos ensaios com EN=50% houve momentos de instabilidade do processo,
com alguma presença de curto devido à variação do comprimento do arco que pode ter ocorrido pelo maior
tempo do arco em polaridade negativa. Pelos resultados expostos na Tabela 4, em velocidade de arame mantida
em aproximadamente 5 m/min, conseguiu-se diminuir 330 W (cerca de 20% da potência) de um percentual de
eletrodo negativo de 30 para 50%. Ainda comparando-se estes resultados com o MIG Pulsado CC para
velocidade de arame de 4,8 m/min conseguiu-se reduzir a potência por volta de 500 W (30% da potência).
Tabela 4. Valores comparativos de potência para as versões MIG Pulsado DC e MIG Pulsado CA (EN= 30% e
50%).
Versão do Processo Va (m/min) Ief (A) P (W)
MIG Pulsado DC 4,8 112 1728
MIG Pulsado AC 30% 4,9 113 1563
MIG Pulsado AC 50% 4,8 111 1233
4. Conclusões
A metodologia proposta permite um cálculo sinérgico para o MIG pulsado CA, sendo possível obter os
parâmetros necessários para a execução da soldagem com essa versão do processo. Dentro da faixa de
velocidade de arame testada, atingiu-se a condição de destacamento de uma única gota por pulso para as duas
formas de onda (I e IV), com boa estabilidade e resultados semelhantes de potência e corrente eficaz. Seguindo a
filosofia de destacamento da gota no início da corrente de base, a forma de onda I leva certa vantagem sobre a
outra, já que com a forma de onda IV o tempo de base após o pulso é curto comparado a anterior e, à medida que
se aumenta a velocidade de arame, o destacamento da gota começa a acontecer muito próximo da inversão de
polaridade.
Para os dois conjuntos de parâmetros de pulso avaliados (Ip= 430 A e Ip= 350 A) não se observaram
diferenças no quesito estabilidade do processo. O que pôde ser analisado e citado como vantagem do uso da
corrente de pulso maior (430 A) seria o fato de com esse conjunto de parâmetros é possível de se chegar a
menores níveis de corrente média.
Nos ensaios com %EN=50 o processo foi mais instável, com ocorrência de alguns curtos na velocidade de 6
m/min devido à variação do comprimento do arco. O cordão apresentou um aspecto de menor molhabilidade, o
que justificado pela redução no menor aporte térmico ocasionado por maior tempo em polaridade negativa. Para
a faixa de corrente eficaz de até 130 A avaliadas neste trabalho, a polaridade de 50% pode oferecer melhores
bons resultados em aplicações, como por exemplo, de soldagem em chapas finas.
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